1 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施的快速發(fā)展， 高速公路和鐵路的建設(shè)重點從城鄉(xiāng)逐漸向山區(qū)地區(qū)轉(zhuǎn)移， 山嶺隧道的建設(shè)也迎來了新的建設(shè)高潮。 在山嶺隧道施工中，由于受到地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工條件差、建設(shè)周期長等因素的影響，容易發(fā)生涌水突泥、巖爆、高地溫、瓦斯爆炸、隧道冒頂?shù)裙こ淌鹿?，施工難度大，風(fēng)險高[1]。 解決隧道施工風(fēng)險難題已經(jīng)成為專家學(xué)者們研究的重點領(lǐng)域。

從隧道施工風(fēng)險管理問題的提出到隧道施工風(fēng)險管理體系的完善構(gòu)建，國內(nèi)外許多學(xué)者在其中做出了許多貢獻。R.Sturk[2]等首次將安全風(fēng)險管理分析技術(shù)應(yīng)用在斯德哥爾摩公路隧道；李忠[3]以蘭州九洲大斷面隧道工程為依托，將靜態(tài)與動態(tài)施工風(fēng)險管理有效結(jié)合， 建立了具有代表性的市政大斷面隧道施工風(fēng)險管理模式；柳尚[4]為研究復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道全過程施工風(fēng)險管理，通過建立動態(tài)安全風(fēng)險控制機制，研發(fā)了濟南東二環(huán)高速隧道項目風(fēng)險決策系統(tǒng)。

本文以山嶺某隧道為依托，綜合考慮該隧道瓦斯氣體、溶洞、公路下穿等條件，基于WBS-RBS 理論，對隧道風(fēng)險源識別，建立WBS-RBS 矩陣對隧道風(fēng)險因素進行定性分析，建立復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道動態(tài)風(fēng)險管理模型。

2 工程背景

該隧道為正線雙線隧道，隧道進口里程DK83+040，出口里程DK93+834，隧道全長10 794 m，最大埋深350 m。 隧道工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，不良地質(zhì)與特殊巖土發(fā)育，隧道DK84+000～DK90+378 段局部夾煤線、炭質(zhì)頁巖地層，根據(jù)地勘資料顯示可能會遇到瓦斯等有害氣體。 另外，隧道DK83+075～DK84+012、DK90+375 ～DK91+644、DK92+865～DK93+834 段均存在巖溶地質(zhì)，開挖過程中可能發(fā)生突水、突泥等風(fēng)險。 進口DK83+040～DK83+250 段下穿在建高速公路，施工難度大，工程風(fēng)險高。

3 WBS和RBS風(fēng)險分析原理

WBS-RBS 是以分解分析法為出發(fā)點[5]，將涉及多個變量的大型復(fù)雜系統(tǒng)劃分為多個單元進行研究， 便于后期整理分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 分解分析法由風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)（RBS）和工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）組成，將工作分解結(jié)構(gòu)樹狀圖與風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)樹狀圖分解交叉，得到關(guān)于潛在風(fēng)險因素的WBS-RBS 矩陣，對矩陣中的每一個組合進行拆解分析，歸納梳理潛在風(fēng)險源，便于隧道施工時分配和配置資源。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道WBS-RBS模型建立與分析

4.1 隧道施工階段WBS模型建立

WBS 模型是基于系統(tǒng)原理，將工作內(nèi)容從總體到局部進行拆解分析， 模型結(jié)構(gòu)層次根據(jù)問題的復(fù)雜程度或系統(tǒng)大小決定。 高速公路隧道的壽命周期包括前期計劃選線階段、勘查設(shè)計階段、施工階段、后期運營階段，計劃選線階段主要包括路線定位和可行性研究，施工階段主要包括項目招投標(biāo)、征地拆遷、施工和竣工驗收，運營維護階段包括生產(chǎn)運營與道路維修。 復(fù)雜山嶺隧道全過程施工階段工作分解結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 山嶺隧道施工階段工作分解結(jié)構(gòu)圖

4.2 隧道施工階段RBS模型建立

RBS 模型是指項目風(fēng)險結(jié)構(gòu)層次組成的一種結(jié)構(gòu)圖像，考慮到該隧道瓦斯氣體、周圍下穿公路、隧道涌水和溶洞等多種施工風(fēng)險因素，根據(jù)該隧道現(xiàn)場施工情況，從現(xiàn)場施工技術(shù)人員、機械配套情況、施工方案、外界及洞內(nèi)環(huán)境對風(fēng)險源進行樹狀圖分析，得到的隧道風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)樹如圖2 所示。

圖2 隧道風(fēng)險分解結(jié)構(gòu)樹

4.3 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道WB S-RBS耦合矩陣建立與分析

以工作分解結(jié)構(gòu)樹施工階段的8 個作業(yè)活動為列，以工作分解結(jié)構(gòu)樹（RBS）的10 個風(fēng)險因素為行，建立復(fù)雜地質(zhì)及環(huán)境條件下隧道WBS-RBS 耦合矩陣。當(dāng)產(chǎn)生施工風(fēng)險時取值為1，不產(chǎn)生施工風(fēng)險時取值為0。 耦合矩陣結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道WBS-RBS耦合矩陣

從表1 中可以看出， 將多種風(fēng)險因素下隧道施工潛在安全風(fēng)險歸類， 以該隧道溶洞段施工潛在風(fēng)險為案例，對WBS-RBS 耦合矩陣進行說明。W11R22：制訂的溶洞段施工方案不合理；W31R22：溶洞段爆破方案設(shè)計不合理，在距離溶洞附近15 m 開始采用微震爆破+人工開挖方式，減少對溶洞處圍巖擾動；W32R22：溶洞段采用“人工+ 機械開挖”方式不合理；W41R22：溶洞段超前支護或掌子面加固方案不適合，超前小導(dǎo)管打入角度或管棚支護時機與現(xiàn)場情況不匹配；W42R22： 溶洞段初期支護的拱架規(guī)格或設(shè)計混凝土厚度不滿足變形要求；W51R22：超前地質(zhì)預(yù)報精確度不足，對掌子面前方溶洞距離或溶洞大小的判斷不準(zhǔn)確。

5 隧道風(fēng)險度計算理論及風(fēng)險度評價

隧道風(fēng)險控制需要監(jiān)控設(shè)備和人員投入， 為控制風(fēng)險成本，考慮隧道動態(tài)施工對施工安全的影響，引入風(fēng)險量化常用指標(biāo)——風(fēng)險度來對隧道施工安全等級進行判斷。 風(fēng)險等級包括風(fēng)險發(fā)生概率的等級和事故發(fā)生后的經(jīng)濟損失的等級。因此， 風(fēng)險度R 的大小近似等于風(fēng)險發(fā)生概率和經(jīng)濟損失的最大似然估計值，計算表達式為：

式中，P 為風(fēng)險概率測度；S 為事故發(fā)生后經(jīng)濟損失程度；下角a 為事件已經(jīng)發(fā)生。

為求得Pa和Sa數(shù)值，需要通過對引發(fā)隧道安全事故的因素進行風(fēng)險度量，為解決這一問題需要引入熵權(quán)系數(shù)。 根據(jù)隧道選址區(qū)地質(zhì)條件、周圍環(huán)境、現(xiàn)場施工條件等進行風(fēng)險源辨識歸類，建立風(fēng)險因素集合U={u1，u2，…，un}和事故發(fā)生概率及風(fēng)險評價集合V={v1，v2，…，vn}。 在經(jīng)過專家對風(fēng)險因素U的集合進行評審后，得到關(guān)于F（V）的映射：U-F（V），F(xiàn)（V）為V 的模糊集， 評價所以潛在風(fēng)險因素后就能得到關(guān)于風(fēng)險集合U 的隸屬矩陣K，其表達式如（4）所示，則風(fēng)險發(fā)生概率矩陣和風(fēng)險損失矩陣分別為Kp和Ks。

然后，由隸屬度矩陣計算風(fēng)險因素熵值ei和權(quán)值函數(shù)φi，其中，rij∈F（V）。

式中，n 為隸屬矩陣行數(shù)；rij為隸屬矩陣中的任意一個元素；m為隸屬矩陣列數(shù)。

通過式（2）和式（3）可計算出風(fēng)險因素熵權(quán)值。 將風(fēng)險概率矩陣Kp帶入式（2）和式（3）可求出風(fēng)險因素權(quán)向量A={φ1，φ2，…，φn}，評判集合V 的權(quán)重由隧道工程領(lǐng)域?qū)＜液图夹g(shù)人員調(diào)查結(jié)果確定權(quán)重，表達式為B={β1，β2，…，βn}，由此計算出隧道發(fā)生概率測度表達式為Pa=AKpBT（BT為專家和技術(shù)人員確定權(quán)重行列式的轉(zhuǎn)置），同理可計算隧道風(fēng)險事故發(fā)生后的損失的表達式為Ca=AˉKcBˉ（Aˉ為風(fēng)險后果損失時的權(quán)重值； Bˉ為評判集合各指標(biāo)的權(quán)重值；Kc為損傷隸屬度矩陣），將得到的Pa和Ca帶入式（1）可以計算出某一施工階段隧道風(fēng)險度數(shù)值，通過風(fēng)險度數(shù)值判定風(fēng)險等級，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

6 結(jié)語

1）依托山嶺某隧道施工階段的風(fēng)險因素，基于WBS-RBS理論對隧道風(fēng)險源進行識別分析， 建立了WBS-RBS 耦合矩陣，定性分析了隧道巖溶段施工風(fēng)險因素影響。